功率超声在金属焊接中的应用进展情况分析

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摘要：本文作者根据多年来的工作经验，对功率超声在金属焊接中的应用进展情况进行了分析，具有一定的参考意义。

关键词：功率超声；金属焊接；应用

中图分类号： TK226+.2 文献标识码： A 文章编号：

0.引言

超声焊接是功率超声理论和技术在金属和塑料焊接上的应用，功率超声理论和技术的发展促进了超声焊接技术的发展。超声焊接分为超声金属焊接和超声塑料焊接。超声波金属焊接和塑料焊接由于所焊接的材料的不同，它们的功能和原理略有不同，但是他们的基本设备还是相同的，具有超声波发生器和换能器振动系统。本课题研究的是金属超声焊接。

1功率超声施振系统构成简介

用于超声金属焊接的超声施振装置一般由超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头等组成。 产生功率超声的方法主要有两种， 一种是利用电声换能器产生，另一种是利用流体动力来产生，在金属焊接领域中，常用的是电声型换能器功率超声产生系统。

超声波发生器又叫超声电源， 它的作用是将工频交流电转换为超声频电振荡信号， 以供给工具头端面往复振动的能量。换能器的作用是将高频电振荡信号转换成机械振动。根据其转换原理不同，有磁致伸缩式和压电式两种。 目前功率超声中应用最广的是能量转换效率更高的压电换能器，尤其是夹心式纵向压电换能器。超声波变幅杆又称为超声变速杆或超声聚能器，其作用是放大换能器所获得的超声振幅，以满足超声作用的需要。

2直接超声波焊接

2.1 原理及特点

直接超声波焊接是通过声学系统的高频弹性振动以及在工件间静压力的夹持作用下实现焊件之间的连接，其原理如图 1 所示。 它由超声电源、换能器、变幅杆和焊头(又名上声极或劈刀)组成。 换能器将超声电源提供的超声频电能转换为纵向高频振动，通过变幅杆将位移振幅放大传给焊头，焊头在受压下在焊件表面作强烈的超声振动。 这时两被焊件在垂直压力下作高频摩擦，使粗糙表面剪切变形，产生温升和塑性流动，同时去除和分散表面氧化膜，最终使得两表面紧密接触而连接。

此种焊接过程中没有电流直接流进焊件， 也没有高温热源(如电弧、电子束等)注入焊件。 这种焊接是通过被焊区域表层金属原子的互相扩散或互相接近状态下进行的固相结合，因此是一种固态连接。研究表明，摩擦、塑性流动以及温度是实现超声焊接的三个互为依赖的主要因素， 其中摩擦起主导作用，它不仅是焊接中的主热源，而且通过排除氧化膜为纯净金属表面间接触创造了条件。

塑性变形的难易直接决定材料超声焊接的难易。 因此材料的硬度和屈服强度在超声焊接中起重要作用，强度和硬度越大越难焊接。图 2 显示各种金属材料的超声可焊性，可焊接的金属列在图的上部，从Al 到 Zr，同种材料或它们的合金沿对角线列出，由该图可看出，除 Ge 和 Si 外，绝大多数材料可以和它们本身或合金焊接。从图中可知，铝具有优异的焊接性，可以与列出的所有材料焊接，易焊金属还包括铜合金和稀有金属(金、银、铂)。 另一方面，铁及其合金、高温金属(如 Mo 和 W)，尽管可与一些材料焊接，但仅限于材料很薄的情况。

2.2 焊接类型

点焊：其装置如图 1 所示。点焊的面积决定于被焊件材料、厚度和焊机功率。在焊接不同厚度的组合焊件时，功率超声应从比较薄的焊件一方导入，焊接参数也是根据薄焊件的厚度来确定的。

缝焊：焊接工具头为圆盘形，整个换能器振动系统在焊接过程中可以连续滚动，所以又叫滚焊。这种设备广泛用于金属箔材或薄金属带的连接。

环焊： 它利用特殊设计的变幅杆和工具头将扭转振动施加到焊件上来完成超声焊接，焊缝为圆形。扭转振动容易得到较大的位移振幅， 常用于金属壳如晶体管壳的封装。

对焊：用功率超声把焊件从端口对接起来的一种焊接方法，是近年来新开发的一种方法。

2.3 应用

直接超声金属焊接的实际应用优势正为很多行业所认识，对它的研究与应用也日益深入。 目前，直接超声金属焊接最主要的用途是在电子和汽车等领域，下面仅举几例。

连接所有电器部件的导电线束是汽车正常运行的命脉。传统线束采用压接方式，汽车奔跑于复杂路况或经长期使用， 压接端子易产生物理及机械性能退化而松散甚至脱落，导致汽车线路失效，甚至造成短路而引发火灾。 超声焊接可使导线间实现牢靠的焊接，其焊点具有比原材更好的拉伸及抗撕裂能力，因而成为汽车制造业广泛使用的技术。

3间接超声波焊接

3.1 熔化焊

长期研究表明，功率超声作为一种外场导入凝固金属中对细化凝固组织、防止偏析、去除夹杂和气体等都有明显的作用。

与铸造过程中引入功率超声相似，在电弧焊和电渣焊中引入功率超声，可细化焊区组织，使形成热裂纹倾向大大降低，对特种钢焊缝金属的耐蚀性有良好的影响。 再者，功率超声的弥散作用提高了元素的相互溶解度，使得可以将难熔的固体微粒加到熔化金属中去，也可以把在一般条件下彼此不混合的金属制成合金。

因此，功率超声也可作为将变质元素和合金元素加入于焊缝、并使其沿焊缝截面均匀分布的有效方法。 增加不同金属的溶解度，可以发现一系列堆焊金属新的性能，而且有可能取得在实践中或理论方面有兴趣的新成分。 功率超声还对焊池金属有除气作用。 因此，功率超声可以用来提高焊缝的力学性能。

超声作用于焊池的方式如图3 所示，可以直接作用于焊池，也可以通过基体和附加焊丝间接作用。此外，在电弧焊中，还可通过对使用的焊条施加超声来对焊缝结晶过程产生影响，但此种方式对焊缝组织改变不大。 通过焊件基体作用于焊池的方式对焊接热影响区的组织也可产生影响。功率超声在熔化焊中的应用研究较早， 主要研究国家为前苏联，近年来在国内外也有研究。

3.2 压力焊

压力扩散焊是适应原子能、航空、航天及电子工业等尖端技术领域的需要而迅速发展起来的一种特种焊接方法。焊接时常常引入高温高压，以利于原子间的扩散。因为利用超声波可以消除氧化膜，在扩散焊接过程中引入超声波振动则可大大加速扩散过程。 如图 4 所示， 这是前苏联的一种真空扩散焊装置，用于焊接活泼金属。 因为活泼金属在极短的时间内也能氧化，所以利用超声来消除氧化膜层。

3.3 钎焊

在钎焊中， 超声振动系统产生的弹性能通过表面空穴作用减少或去掉金属氧化膜而获得良好的界面润湿，而且润湿面积随超声能量的增加而增加。

Cu 的平板在超声作用下，双面氧化膜都能被去除而获得良好润湿， 而且润湿面积随超声能量增加而增加。 硬钎焊的高次品率与界面上由钎剂堆积和钎料铺展不均而致的孔洞气泡有关， 引入超声振动可大大减少孔洞，使钎料铺展更为均匀，并控制接头厚度，这样银钎料可减少为原来的 25%，可控厚度为0.025～0.038 mm(未超声时为 0.063～0.127 mm)，同时减少了次品率。此外， 超声钎焊还可实现异种金属材料及金属基复合材料的快速高强度连接。

3.4 超声冲击处理

焊接接头处的疲劳裂纹往往萌生于焊趾部位，这是因为焊趾部位往往是应力集中和焊接缺陷集中最为严重的地方， 同时在焊趾部位形成的残余拉应力场也助长了疲劳裂纹的扩展。 焊趾超声冲击处理是近年来发展起来的一种改善焊接接头疲劳性能的新技术。 这种技术具有效率高、无噪声等优势，是一种高效低成本改善焊接接头疲劳性能的技术。 研究表明，焊趾超声冲击处理可以有效地改善焊缝与母材过渡区的形状，降低应力集中系数，同时提高了金属表面层的强度，调整焊接残余应力场，在应力集中处产生了有利的压应力。经过超声冲击处理的焊接构件的疲劳强度可以相当于或高于母材的疲劳强度，且对不同种类的金属和合金都有明显效果。

超声冲击系统与一般功率超声振动系统结构组成相似，只是工具头为较细的冲击针，以便输出更大的超声振动强度。 在振动冲击处理过程中，冲击针头将高能机械振动传递给工件，使以焊趾为中心的区域内的焊接接头表面接受足够的能量产生塑性变形。超声冲击处理目前在国外已成为比较流行的焊后处理、表面局部强化和消除焊接残余应力的方法。然而，国内对此的应用研究尚处于起步阶段。

4结语

目前， 功率超声在直接金属焊接方面的技术已相对成熟，工业应用也较多，而在间接超声金属焊接方面的工业应用却有限，很多尚处于试验研究阶段，功率超声金属焊接应用的机理方面亦有待深入研究。 但是，由于功率超声对材料本身和环境无污染，并且耗能少，效率高的自身优势，以及相关物理、材料、 电子等领域科学技术的飞速发展使大功率超声设备和耐高温变幅杆的生产成为可能。因此，我们有充分理由相信功率超声在金属材料焊接领域的研究和应用会倍加受到关注和重视，从而得以迅速发展。

参考文献

[1] 曹凤国．超声加工技术[M]．北京:化学工业出版社,2005.

[2] 陈思忠．我国功率超声技术近况与应用进展 [J]．声学技术,2002,21(1-2):46-49.

[3] 王爱玲, 祝锡晶, 吴秀玲．功率超声振动加工技术[M]．北京:国防工业出版社,2007.